TREATMENT OF FOCAL CARTILAGE DEFECTS
SURGICAL TREATMENT OF FOCAL CARTILAGE DEFECTS
As ligas de metal Babbitt já foram mencionadas anteriormente, contudo, como o trabalho experimental se foca neste tipo de ligas, será feita uma caracterização mais detalhada de modo a auxiliar a compreensão da liga investigada.
Metal Babbitt, Metal Branco, Metal Patente ou simplesmente Babbitt é o nome que designa uma liga macia, não ferrosa, utilizada em revestimentos de chumaceiras. É conhecida por conter um coeficiente de atrito baixo, e uma microestrutura composta de pequenas partículas intermetálicas relativamente rígidas embebidos numa matriz de liga macia. Foi criada em 1839 por Isaac Babbitt, nascido em 26 de julho de 1799 em Taunton, Massachusett. A sua fórmula original era constituída por 89,3% de estanho, 7,1% de antimónio e 3,6% de cobre (Tecém 2013). O baixo coeficiente de fricção do próprio material metal Babbitt permite, mesmo sem lubrificação, que as chumaceiras tenham um coeficiente de atrito reduzido. No entanto, quando adicionada uma lubrificação pode ainda atingir coeficientes de atrito surpreendentemente baixos. Além disso, o baixo custo, a boa capacidade de manuseamento e a facilidade de circulação do lubrificante entre as partículas intermetálicas, leva que a maioria dos técnicos opte por este tipo de revestimento.
2.3.1. A história do metal Babbitt
Por volta do ano de 1824 em Taunton, Massachusetts, Isaac Babbitt começou a fazer experiências com várias ligas, tornando-se o primeiro produtor de utensílios feitos de Britannia (Britannia de metal é uma liga composta aproximadamente de 93% de estanho, 5% de antimónio e 2% cobre, usado para fazer vários utensílios, incluindo bules, jarras, copos e castiçais). Em 1930 começou o seu comércio, o qual durou pouco tempo devido à falta de resultados financeiros. Deste modo, Babbitt é obrigado a entregar o controlo da empresa a dois homens, Charles E. Barton e Henry Good Reed, que ressuscitaram o negócio colocando novas ideias em prática. Depois de perder o negócio, Babbitt começou a trabalhar numa fundição, deixando a sua marca no mundo industrial. Produziu em 1839 uma liga que viria a reduzir o atrito nos motores a vapor e que mais tarde se tornaria conhecida de metal Babbitt (Behr Iron & Metal s.d.).
A liga inicialmente era constituída por:
4 Peças de cobre 8 Peças de antimónio 24 Peças de estanho
Devido a esta inovação, Babbitt foi recompensado pelo Congresso dos EUA, onde recebeu 20000 dólares para produzir a liga com o objetivo de a aplicar na indústria naval. Desde essa data Babbitt cresceu, abrangendo uma larga gama de ligas com características semelhantes de antifricção (Behr Iron & Metal s.d.).
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.3.2. Normalização das ligas
As ligas de metal Babbitt estão referenciadas de acordo com algumas normas, como por exemplo:
ASTM B-23 (American Society of Testing Materials) QQ-T-390A (Especificações do Governo dos EUA) SAE J460 (Society of Automotive Engineers)
DIN ISO 4381 (Deutsches Institut für Normung and International Organization for Standardization)
A título de exemplo, pode verificar-se na Tabela 2.4 e Tabela 2.5 que existem oito graus de ligas normalizadas pela ASTM,
Tabela 2.4 - Composição química em peso das ligas à base de estanho, especificadas na norma ASTM B-23 (Tecém 2013).
Tabela 2.5 - Composição química em peso das ligas à base de chumbo, especificadas na norma ASTM B-23 (Tecém 2013).
Caracterização da interface e estudo da adesão do revestimento ao substrato
Estas dividem-se em dois grupos de acordo com o componente maioritário, chumbo ou estanho (Tecém 2013). Apesar de existirem mais graus que identificam as ligas de metal Babbitt, a norma ASTM B-23 apenas considera os graus apresentados nas referidas tabelas. A Tabela 2.4 apresenta as ligas à base de estanho (Tin-Based) classificadas com os graus 1, 2, 3 e 11, caracterizadas pela elevada percentagem de estanho, enquanto na Tabela 2.5 estão representas as ligas à base de chumbo (Lead-Based) com os graus 7, 8, 13 e 15, onde o chumbo é o elemento maioritário.
As referidas tabelas (Tabela 2.4 e Tabela 2.5) mostram ainda que, cada liga consiste numa composição química ligeiramente diferente que permite abranger uma ampla gama de propriedades. As ligas designadas de acordo com a norma ASTM B-23 podem ser encontradas comercialmente com outras designações, i.e. de acordo com o fabricante. No entanto, como referido anteriormente, além destas, ainda existem outras ligas com a composição química ligeiramente diferente, como por exemplo a liga de Babbitt Tego V738 da norma DIN (81% de Sn, 12% Sb, 5.5% Cu, 1.2% Cd e 0.3% Ni).
2.3.3. Produção e reciclagem do metal Babbitt
No mercado internacional existem várias empresas a comercializar ligas de metal Babbitt, com produtos capazes de satisfazer uma enorme variedade de exigências, de acordo com as necessidades de cada utilizador. O processo de fabricação passa pela fundição e posterior conformação em lingotes, barras extrudidas e fios na forma de arame (Figura 2.7).
Figura 2.7 - Metal Babbitt na forma de arame (a) e (b) lingotes. Adaptada: (All-biz 2010- 2014).
A reciclagem do metal Babbitt pode ser efetuada com algumas restrições, nomeadamente para aplicações com elevadas exigências onde a reciclagem de liga Babbitt envelhecida não é aconselhada, devido à existência de impurezas que podem influenciar as principais características do revestimento, levar à deturpação do grau da liga, diminuir a capacidade de adesão e promover com maior facilidade a falha do equipamento.
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.3.4. Preparação das superfícies do substrato para revestimentos por fundição O sucesso destas técnicas de deposição só será alcançado se as condições de adesão se proporcionarem, obrigando a uma preparação do substrato de modo a depositar o revestimento com eficácia.
Uma das técnicas de preparação do substrato inclui a imersão prévia num banho de estanho puro a 315ºC, de forma a apresentar uma camada fina “prateada” facilitando a adesão da liga de Babbitt à base de estanho.
Para situações onde não se possa efetuar a imersão do substrato, efetua-se um aquecimento e posterior derretimento de barra de estanho de modo a garantir uma camada superficial fina (Behr Iron & Metal s.d.).
Vassilaros (Vassilaros 1976) menciona que para se poder atingir uma forte ligação entre um substrato de aço e o metal Babbitt Tin-Based deve-se proceder às seguintes etapas:
Remover oxidação (ferrugem) da superfície do substrato através de jato de areia; Desengordurar com acetona a superfície do substrato em aço;
Aplicar no substrato de aço uma solução de ZnCl;
Manter o substrato num banho de estanho, durante 1 minuto a 315 º C.
Em situações onde não se consiga imergir o substrato, como as chumaceiras de grande porte, utiliza-se os seguintes passos:
Remover oxidação (ferrugem) da superfície do substrato através de jato de areia; Desengordurar com acetona a superfície do substrato em aço;
Aquecer o substrato de aço com um maçarico, enquanto se aplica uma solução ZnCl e
se derrete uma barra de estanho.
A estanhagem por imersão e a limpeza para remover os óxidos e as gorduras são processos fundamentais para garantir a adesão entre o revestimento e o substrato, pois permitem obter adesões com tensões de rotura perto dos 93MPa, rompendo por vezes o metal Babbitt em vez da ligação com o substrato. Nos casos em que o substrato é aquecido com um maçarico e o estanho é derretido sobre ele, a ocorrência de óxidos é frequente, diminuindo significativamente a sua tensão de rotura (Vassilaros 1976).
2.3.5. Dez passos para efetuar o revestimento por fundição
Em seguida descreve-se as etapas que devem ser cumpridas de modo a obter um revestimento que garanta uma qualidade aceitável, nomeadamente, no que diz respeito à adesão substrato/revestimento (Chris, et al. s.d.).
1º Remover se necessário o Babbitt antigo - Nas chumaceiras usadas que
necessitem de novo revestimento será importante remover o material velho, derretendo-o com um maçarico de oxiacetileno. De seguida, retira-se com um
Caracterização da interface e estudo da adesão do revestimento ao substrato
raspador, o restante Babbitt que ainda permanece na base do substrato, juntando-o num recipiente para reciclar;
2º Obter o Babbitt - O Babbitt anteriormente retirado não deve ser usado novamente,
pois este contém impurezas provocadas pelos anos de uso. O método mais eficaz é a utilização de lingotes comercializados pois disponibilizam o grau de liga necessária, conforme as cargas e velocidades requeridas;
3º Preparação das superfícies - As superfícies do revestimento (substrato) devem
estar completamente limpas e isentas de solventes. Limpeza com reagentes químicos e granalhagem são métodos utilizados para esse fim;
4º Isolar o eixo - Quando a deposição do revestimento envolve a existência do eixo
no seu interior, este deve ser isolado de modo que o metal não adira nas suas faces;
5º Posicionar as peças - Deve colocar-se o casquilho (chumaceira) na posição
horizontal e o veio ou um molde no seu interior. Todos os furos devem ser tapados, com argila ou madeira, de modo a serem removidos posteriormente;
6º Derreter o metal Babbitt - O Babbitt deve estar dentro de um recipiente em ferro
fundido e aquecido até à temperatura de fusão. De seguida, após ter atingido a temperatura desejada, é vazado sobre o metal base;
7º Aquecer o casquilho (chumaceira) - O aquecimento do casquilho é um processo
que tem muita influência na adesão do metal Babbitt. Antes da deposição, deve aquecer-se a uma temperatura na ordem dos 121ºC para evitar choques térmicos e evaporar humidade;
8º Limpar o metal Babbitt - Na fase em que o metal Babbitt está totalmente
aquecido, prestes a ser derramado sobre o casquilho, deve-se agitar e retirar toda escória que flutue por cima;
9º Verter o Babbitt - Para garantir uma boa adesão, o metal Babbitt deve ser
depositado o mais rapidamente possível. Caso o recipiente não contenha capacidade suficiente para levar a quantidade de líquido desejada, deve ser substituído com a máxima rapidez;
10º Terminar - Retirar os cunhos de argila ou de madeira e avivar os furos de
lubrificação. Limpar o excesso de material e, se necessário, maquinar a superfície revestida.
2.3.6. Técnicas de deposição do revestimento
Os processos de deposição do metal Babbitt podem ser efetuados de diversas formas, sendo selecionadas de acordo com as exigências e a qualidade do revestimento. A deposição por fundição estática, fundição centrífuga, aspersão térmica e eletrodeposição são métodos utilizados na produção do revestimento.
2.3.6.1. Deposição por fundição estática ou por gravidade
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
escapar, perdendo-se pelas laterais, deve colocar-se uma barreira através de um molde para não permitir o seu derramamento. O tempo de permanência do substrato no tanque de estanhagem (nas ligas Tin-Based, quando estas são imergidas no estanho puro para criar uma camada uniforme de estanho) deve ser suficiente para que aqueça, pois só assim se consegue garantir uma ligação forte. Durante o vazamento, este deve ser distribuído uniformemente por toda superfície, de modo a garantir a homogeneidade na distribuição da liga (Behr Iron & Metal s.d.).
Na Figura 2.8 pode observar-se o metal a ser vazado sobre as chumaceiras em meia-lua, onde um veio está colocado ao centro para garantir a formação de um revestimento com o diâmetro pretendido.
Figura 2.8 - Deposição de material por gravidade (Gingery 2001). 2.3.6.2. Deposição por fundição centrifuga
A centrifugação do metal Babbitt é baseada na deposição do revestimento de modo uniforme sobre as superfícies do substrato, recorrendo a uma força centrífuga. Comparado com a deposição estática, consegue superar a resistência à adesão e a consistência entre o revestimento e o metal base.
Neste processo, o componente a revestir (chumaceira) deve estar alinhado e centrado de modo a garantir que o metal depositado fique com uma camada simétrica e homogénea. No final da deposição, deve arrefecer-se o exterior do componente com água, permitindo assim que o Babbitt solidifique antes do movimento de rotação parar.
Em chumaceiras de grandes dimensões, deve reduzir-se a rotação do equipamento para evitar velocidades periféricas muito grandes (Behr Iron & Metal s.d.), de forma a evitar que os elementos químicos de maior densidade sejam projetados. A Figura 2.9 ilustra o método de fixação de um componente (chumaceira) com o respetivo movimento de rotação.
Caracterização da interface e estudo da adesão do revestimento ao substrato
Figura 2.9 - Dispositivo de suporte com rotação (DSE Bearing Co.,Ltd 2011).
No que diz respeito à alimentação do material ao interior do componente a revestir, a Figura 2.10 exemplifica o processo.
Figura 2.10 - Alimentação do metal base na fundição centrifuga (DSE Bearing Co.,Ltd 2011). O material é derretido e colocado no funil, que o encaminha para o interior do componente (chumaceira). Devido à rotação, a força centrífuga proporciona a adesão do revestimento à superfície interior da chumaceira (DSE Bearing Co.,Ltd 2011).
2.3.6.3. Deposição por aspersão térmica
A aspersão térmica, designada também por metalização, é um processo onde um material metálico, cerâmico ou polímero, no estado fundido ou semi fundido, é depositado sobre uma superfície (Figura 2.11).
As ligas utilizadas são processadas em pó ou na forma de arame, dividindo-se em duas formas designadas a frio ou a quente (Eutectic Castolin 2011).
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Figura 2.11 - Princípio da técnica de revestimento por aspersão térmica. (Eutectic Castolin 2011).
Para processos de aplicação que necessitem de baixas temperaturas (no máximo 250 °C), utilizam-se pós e arames a frio (Chama pó e Arc Spray) e para casos em que as temperaturas necessárias oscilem entre 860 e 1100 °C, são utilizados somente pós (Chama pó e PTA
“plasma de arco transferido”), conforme se pode observar no Figura 2.12 (Eutectic Castolin
2011).
Figura 2.12 - Ligas utilizadas e variantes da aspersão térmica. (Eutectic Castolin 2011). A Tabela 2.2 apresentada anteriormente, faz referência a alguns tipos de revestimentos que podem ser obtidos por este método, apresentando também os respetivos valores que são viáveis produzir, como por exemplo o revestimento de carboneto de tungsténio que envolve o método inovador de aspersão térmica, designado por HVOF.
2.3.6.3.1. HVOF (High Velocity Oxy-Fuel)
O processo HVOF é designado por alta velocidade de oxigénio e combustível. É utilizado para reparar ou melhorar o acabamento superficial em componentes, por meio de pulverização
Caracterização da interface e estudo da adesão do revestimento ao substrato
temperatura. Como nos processo térmicos de pulverização, o material depois de aquecido é acelerado por um fluxo de gás que se deposita na superfície do componente. O fluxo de gás é composto pela mistura e ignição do oxigénio e combustível numa camara de combustão, de modo que o gás acelere através do bico a alta pressão e se deposite na superfície (Sulzer s.d.).
Figura 2.13 - Princípio de funcionamento do Processo HVOF. (Sulzer s.d.).
Este método é normalmente usado em revestimentos onde é exigida elevada qualidade, ou seja, em que o encarecimento do processo é compensado pela sua fiabilidade. É um processo que na maioria dos casos se efetua manualmente pelo operador. A proteção contra a corrosão, e a recuperação de eixos e chumaceiras são exemplos onde é frequente aplicar esta técnica. A superfície revestida fica porosa permitindo que o lubrificante seja absorvido para o seu interior, aumentando assim o desempenho da chumaceira.
2.3.6.3.2. Pulverização do metal Babbitt
Quando se pretende revestir chumaceiras no diâmetro exterior, o método de deposição por pulverização (metalização) é o mais eficaz, uma vez que garante a qualidade na superfície revestida, devido à facilidade de controlar o processo. A pulverização por arco ou por chama são os métodos utilizados para esse fim, tendo em comum a alimentação por fio através de uma pistola que o derrete e pulveriza. Na pulverização por arco, dois fios de metal Babbitt atravessam a pistola, que através de uma descarga elétrica os funde e empurra sobre as superfícies do substrato, devido à pressão do ar comprimido. O mesmo acontece na pulverização por chama, onde o fio é alimentado para dentro da pistola aquecida por uma chama de gás, e empurrado pelo ar comprimido obrigando o metal fundido a aderir na parede do substrato.
Os pulverizadores por arco normalmente são mais eficientes que os de chama, contudo, por razões de dificuldade de portabilidade, os de chama são mais solicitados. O grande problema neste processo de deposição é o perigo que ele representa para a saúde pública, devido à grande intensidade de fumo criado pelo metal atomizado e o óxido de estanho (Behr Iron & Metal s.d.).
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.3.6.4. Deposição por eletrodeposição
A eletrodeposição é uma técnica de revestimento, através da qual um metal condutor com o auxílio de corrente elétrica efetua uma emigração de partículas carregadas eletricamente numa solução iónica aquosa. A transferência envolve um processo catódico em que a peça recebe eletrões, e um processo anódico em que oxida devido à remoção dos eletrões (Figura 2.14).
Figura 2.14 - Exemplo de eletrodeposição com um ânodo de ouro e um cátodo de alumínio. Adaptada: (Alunos online 2011).
A eletrodeposição de metais é um processo proveniente de uma célula eletrolítica, contendo uma solução de sais iónicos do metal a depositar, que podem ser banhos de estanho, cobre, zinco, etc. Como se pode verificar na Figura 2.14 que exemplifica o revestimento de um anel de alumínio com ouro, existe uma semirreação no ânodo (Au → Au3++ 3e-) que provoca uma oxidação do ouro metálico (Au), enquanto no cátodo existe uma redução, que origina a deposição de ouro no anel devido à semirreação (Au3++ 3e- → Au) (Alunos online 2011).
2.3.6.4.1. Eletrodeposição do metal Babbitt
Quando se exige camadas de revestimento com espessuras inferiores a 0,05mm, a eletrodeposição é o método mais apropriado para o fazer. O controlo de corrente permite depositar o metal continuamente, sobre o substrato, com tolerâncias dimensionais elevadíssimas. Composições binárias de chumbo-estanho e ternárias de chumbo-estanho- cobre são depositadas através de eletrólitos de fluoborato (fluoborate electrolytes). Para garantir uma adesão perfeita, deve preparar-se o substrato com tratamentos de limpeza e processos de decapagem. Quando o metal Babbitt é depositado sobre uma liga à base de cobre ou bronze, deve criar-se uma camada fina de metal, como por exemplo de níquel, para evitar a difusão do estanho (George e Glacier 1992).
Caracterização da interface e estudo da adesão do revestimento ao substrato
2.3.7. Caraterização das ligas 2.3.7.1. Microestrutura
O metal Babbitt é uma liga polifásica que pode ser classificada de acordo com os tipos de microestruturas básicas. As ligas de Babbitt à base de estanho ou de chumbo apresentam uma matriz macia com partículas duras discretas. Devido à presença destas partículas (metálicas duras), a capacidade de conformação e compactação é inferior à do estanho/chumbo puro. Porém, em contrapartida, a sua resistência mecânica é significativamente superior.
A Figura 2.15-a ilustra a microestrutura do metal Babbitt (Tin-Based ou Lead-Based), com as partículas duras discretas dispersas numa matriz macia que se liga a um substrato de aço. Já a
Figura 2.15-b mostra uma fotomicrografia do um Babbitt à base de chumbo (Lead-Based), as regiões escuras dizem respeito ao chumbo e as claras ao antimónio (George e Glacier 1992).
Figura 2.15 - Microestrutura do Babbitt. Alterada: (George e Glacier 1992). 2.3.7.2. Propriedades
Apesar de todas as ligas conterem composições químicas diferentes, cada uma delas possui uma mistura heterogénea com partículas semelhantes rígidas integradas na matriz macia, que exibe as características da liga original. Esta estrutura permite às partículas, quando se formam, incorporarem-se uniformemente dentro da base de chumbo ou de estanho, de modo que, o Babbitt ao desgastar contenha capacidade de manter a carga e proporcione uma superfície suave que ajude a preservar o filme de óleo. Quando ocorre a decomposição do óleo lubrificante, o revestimento de Babbitt tem características autolubrificantes que permitem um desgaste controlado (Behr Iron & Metal s.d.).
As ligas de Babbitt devem possuir propriedades que permitam a eficácia do movimento relativo entre as superfícies. A resistência mecânica deve permitir suportar esforços de compressão e/ou de fadiga, sem negligenciar a temperatura de funcionamento pois as propriedades mecânicas diminuem com o seu aumento (Figura 2.16).
CAPÍTULO 2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Figura 2.16 - Resistência à compressão das ligas Babbitt em função da temperatura (DeHart, A. O. 1983).
A fadiga é outro fenómeno que dificulta a performance das ligas Babbitt. As chumaceiras com esforços de carater dinâmico estão sujeitas a este problema, baixando drasticamente o tempo de vida dos materiais em serviço. Os revestimentos de metal Babbitt com camadas mais espessas são os que menos resistem à fadiga, pois fissuram com maior facilidade, libertando pequenas partículas (DeHart, A. O. 1983).
Na Tabela 2.6 pode analisar-se o comportamento de vários materiais sujeitos à fadiga, onde as ligas de Babbitt mais espessas evidenciam os piores resultados. Contudo, as ligas de Babbitt que possuem camadas de revestimento mais finas são as que contêm melhor capacidade de carga dinâmica.
Tabela 2.6 - Valores típicos de resistência à fadiga para materiais em rotação (DeHart, A. O. 1983).
Caracterização da interface e estudo da adesão do revestimento ao substrato
Para camadas inferiores a 0,1mm de espessuras, as ligas de Babbitt proporcionam um aumento significativo no tempo de vida útil (Figura 2.17).
Figura 2.17 - Efeito da espessura na vida do Babbitt à fadiga (DeHart, A. O. 1983). Em resumo, quando se seleciona uma liga de Babbitt deve ter-se em consideração as forças exercidas sobre a liga, principalmente quando sujeita a um aumento de temperatura. Quanto às camadas do revestimento, as de menor espessura são as que mais resistem à fadiga e à compressão (DeHart, A. O. 1983).
2.3.7.3. Comparação de propriedades: Liga grau 2 (Tin-based) e grau 7 (Lead-based)
Como referido anteriormente, as ligas à base de estanho são as que apresentam melhores propriedades, permitindo suportar velocidades e cargas que superam facilmente os limites das ligas à base de chumbo (Tabela 2.3). De modo a perceber as diferenças existentes entre os